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ingInterview

Vol.

02

放射光施設がデスクに載った？
一台ですべてが“見える”電子顕微鏡
東北大学多元物質科学研究所

先端計測開発センター

電子回析・分光計測研究分野教授

寺内 正己

「最大のポイントはこれが“顕微鏡”であることです。
試料を目で見て、結晶構造を確認し、“ここは”と感 じ た 領 域 を ズ ー ム し て、 化 学 結 合 状 態 を 分 析できる。
」

寺内正己

てらうち・まさみ：東北大学多元物質科学研究所 先端計測開発センター

電子回折・分光計測研究分野 教授

東北大学大学院理学研究科 博士後期課程修了。理学博士。1990 年東北大学科学計測研究所助手。講師、助教授、を経て 2002 年より現職。1995 年「収束電子回折法の展開とその 4 次元結晶学への応用」で日本結晶学会賞、2000 年「高分解能電子エネルギー損失分光電子顕微鏡の開発と応用」で日本電子顕微 鏡 学 会 賞 ( 瀬 籐 賞 ) 、2004 年「A High Energy-resolution Wavelength-dispersive Soft-X-ray
Spectrometer for a Transmission Electron Microscope to Investigate Valence Electrons」でMicrobeam Analysis Society の Macres Award を受賞。

デスクの上に放射光施設が！
？
目の前にあるモノが何なのか。
それを見極めるうえで、化学結合状態の観測は欠かせない過程だ。
電子顕微鏡一台でそこまで見たい。
一人の研究者の思いから始まった装置の開発は、モノづくりの現場に激変をもたらそうとしている。

放射光施設がデスクに載った ?

学、株式会社島津製作所、（独）日本原

子顕微鏡と組み合わせれば元素の分布像

子力研究開発機構が開発した「電子顕微も捉えられる。

「デスクの上に放射光施設を載せたよう鏡用高エネルギー分解能軟Ｘ線分光器」。

最後の「化学結合状態」とは、電子のなモノかもしれません」

電子顕微鏡と組み合わせて、モノの化学状 態 で 決 ま る。 た と え ば 同 じ 炭 素（C）

結合状態を明らかにする装置だ。

でできたモノでも、電子が原子核の周囲東北大学多元物質科学研究所の寺内正のどの軌道にどれくらいの密度で存在し己教授は、そう目を輝かせる。

モノの性質を決定する３つの要素ているかの違いで、炭になったり、ダイ生させて、試料の元素配列や化学結合状新素材の開発などの現場では、できあフェンとなる。それぞれの物性はまった態（電子状態）を測定する装置。代表的

がったモノが何なのか、当然、確かめる

くといってよいほど違うので、電子状態な高輝度放射光施設である SPring-8（兵必要がある。それが「何なのか」を判別を見ることができて、ようやくモノの正庫県）は、電子を加速させる蓄積リングするにあたっては、「 結晶構造」「 組成」「化体にたどり着いたということができる。

（円形加速器）の直径が 450 メートルを学結合状態」の 3 つが特定されなけれ従来、放射光施設の独壇場とされていた超える、一つの丘を丸ごと取り囲むようばいけない。結晶構造は、近年急速に分のは、主にこの部分だ。にして建設された巨大施設である。

解能を上げた透過型電子顕微鏡（TEM）

放射光施設とは軟 X 線から硬 X 線、赤外線まで幅広いエネルギー範囲で光を発ヤモンドになったり、フラーレンやグラ電子顕微鏡で化学結合状態を見たいそれほどの施設を使わなければできなや走査透過型電子顕微鏡（STEM）で、かった大掛かりな観測が、デスク上のマサブナノ単位まで容易に観察できる。組シンでできる－。画期的な成果をもたら成、 す な わ ち 見 え て い る モ ノ の 元 素 がしたのは、（独）科学技術振興機構の産何であるかは、X 線発光分光法（X-ray電子顕微鏡の開発に長く取り組んでき学共同シーズイノベーション化事業（育Emission Spectroscopy：XES） でた寺内教授は、いつの日からか「物足り成ステージ）により、日本電子、東北大定性・定量分析ができるだけでなく、電ない」と感じることが多くなったという。

「電子顕微鏡が進歩して、結晶構造は容易に見ることができるようになりましたが、そこから先は、X 線分光器にかけたり、放射光施設で測定しなければ、データのセットは揃えられなかったのです。
電子顕微鏡だけで 3 種のデータを揃えるようにできないか、そういう思いが強くなっていきました」
こうした思いから教授は独自に研究開発をスタートした。

透過型電子顕微鏡やタングステン SEM に装着した軟 X 線分光器が、研究室で日常的に利用されている。

化学結合に深く関わっているのは、原子内の最外殻の電子軌道を回っている電子、すなわち価電子である。したがって、価電子のエネルギー分布を測定することが物性の見極めには重要となる。
価電子の状態密度の分布を見るためによく用いられているのは光電子分光法（Photoemission Spectroscopy：PES） だ。 試 料 に 光（ 紫 外 線 や X 線 ）を照射したときに試料の表面から放出される光電子を計測する手法で、精度に優れているが、試料の表面を極めてきれいに清浄にして、超高真空下で測定しなければならない。
もうひとつの手法として知られるのが、「老眼でも簡単ですよ」。 ヘッドルーペをかけてサンプルを手早くセットする。

組 成 分 析 に も 用 い ら れ る XES だ。 測 定に超高真空環境は必要なく、絶縁体も苦にしない。その簡便さに可能性を見た寺

解能は不可能だと言われたのをいまで殊な背面照射型 CCD を入手し、それぞ

内教授は、顕微鏡に搭載できる高分解能も覚えています」と寺内教授は振り返れの調整を繰り返した。

XES 装置の試作を繰り返していった。

る。 だが、寺内教授は、ひるむことな試料に電子ビームを当てると、電子は、殻を飛び越えて遷移するが、その際に X線を放出する。これを捉えて、そのエネく研究を続けた。
鍵となる構成部品は、集光ミラー、回折格子、検出器の 3 つだ。

2006 年 か ら は、 日 本 電 子 も チ ー ムに 加 わ り、 市 販 化 を 目 指 し た 開 発 が ス
タート。その過程で、エネルギー量の小さいリチウムなども検出できる仕様が考案され、さらに改良が重ねられた。

ルギーと強度を測定すれば、最外殻にどそのままでは分散してしまう X 線を効れくらいの密度で電子があるかがわか率よく集めるために、集光ミラーを自らる。もっとも、価電子のエネルギー分布設計。また、結像収差を補正するために幅は、5 〜 10 eV に過ぎない。そうす

溝間隔を系統的に変化させた日本独自のると、最低でも 1 eV 程度のエネルギー回折格子を採用、さらに、X 線のごくわ分解能を実現する必要がある。

ずかな信号をキャッチするために、反射かくして、まず TEM に搭載でき、金「 研 究 を 始 め た 2000 年 当 時、 研 究 会

防止膜をもたず、センサーの前に広がっ属 Al の Al-L ス ペ ク ト ル 観 察 に お い て、で こ の 構 想 を 発 表 し た ら、 そ ん な 高 分ていた配線をすべて裏側に作り込んだ特0.2 eV の高いエネルギー分解能で観圧倒的な手軽さがモノづくりを変える

測できる軟 X 線分光器を開発、さらに、2013 年 に は、 電 子 プ ロ ー ブ マ イ ク ロ
ア ナ ラ イ ザ（EPMA） や SEM（ 走 査

燃料電池用新素材への応用型電子顕微鏡）に搭載可能なタイプを

東北大学多元物質科学研究所の京谷研究室で研究中のカーボンの新素材、例えば

発 表 し た。 検 出 感 度 は、 鉄 鋼 の 改 質 にゼオライトカーボンは、フラーレン（C 60）のように球状を描いているが、丸まりきらさず、有 用 な 添 加 物 で あ る ボ ロ ン で、 従 来 のネットワークを構築させている。軟 X 線分光してみると、部分によって、ダイヤモンド様EPMA と比べて 2 桁も向上。分解能もであったり、グラファイト様だったりと、ランダムでもなく周期的でもない特殊結合状態

従 来 の WDS に 比 べ て １ 桁 以 上 向 上 しを有していることが高エネルギー分解能軟Ｘ線分光器によって確認された。この新素材ている。

は水素を大量に吸蔵する燃料電池素材として活用が期待されている。

「リチウム、マグネシウム、ボロン、窒素、カ ー ボ ン な ど、 新 素 材 開 発 で 鍵 と な る
元 素 の 多 く が、 電 子 ビ ー ム を 当 て る と
軟 X 線 の 信 号 を 出 し ま す。 そ の 観 測 が素材開発の現場レベルでできるようにな る。 高 付 加 価 値 新 素 材 開 発 の 流 れ を加速化させることが期待できます」「 最 大 の ポ イ ン ト は、 こ れ が“ 顕 微 鏡 ”
で あ る こ と で す。 試 料 を 目 で 見 て、 結晶構造を確認し、“ここは”と感じた領域 を ズ ー ム し て、 化 学 結 合 状 態 を 分 析で き る。 放 射 光 施 設 で は ま ね で き な いことです」
なにより SEM の操作でデータが取得できることを、自身も高く評価している。

（X 線強度）「 前 処 理 が ま っ た く 必 要 な い で す か ら、

C-K emission: V.B.: V.B. → C1s

ピ ン セ ッ ト で サ ン プ ル を つ ま ん で、3分 も あ れ ば、 試 料 を セ ッ ト で き ま す。
それから 5 分もすればデータが出てく0.4

C

モノマーC60る。 こ の 手 軽 さ は、 モ ノ づ く り の 現 場に大きな変革をもたらすに違いありません」
現 在、 日 本 電 子 で は、EBSD（ 電 子0.2 ゼオライトカーボン

線後方散乱方位解析装置）を装着したタイプも供給している。SEM で「結晶構 造 」「 組 成 」「 化 学 結 合 状 態 」 の デ ー
タ 3 点セットを一度に得られる装置と0グラファイトな る。 ま た、 得 ら れ た デ ー タ が 何 を 示しているかを照合するデータベースづ

260

280

Photon energy (eV)300

くりも急いでいる。
モノづくりが新たなパラダイムに入る日が、近づいている。

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